探秘冥古宙：地球的神秘起源

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一、冥古宙的时代划分

冥古宙在地质年代表中处于地球形成初期的重要位置，时间跨度约为距今 46 亿年前至 40 亿年前。这个时期是地球天文时期，见证了地球从混沌状态逐渐演化的过程。
（一）代元划分

地质年代表中，冥古宙分为浑沌代和杰克山代。混沌代（4568～4404Ｍａ）代表冥古宙早期，是地球、月球以及整个太阳系最初形成时的无序与混沌状态。其中最著名的事件为巨型月球式的地球陨击事件，即 “忒伊亚撞击”，一颗与火星大小相当的天体撞上地球，产生的碎片汇聚形成了原始的月球。杰克山代（4404～4030Ｍａ）代表冥古宙晚期，这一命名来自澳大利亚西部 Yilgarn Craton 的 Jack Hill 绿岩带、同位素年龄可达（4404±8）Ｍａ的碎屑锆石。在此期间，快速的地壳形成及循环，流星雨式轰击地球的事件持续发生。科学家在加拿大西北领地阿卡斯塔河中一个面积不足 0.5 km? 的小岛上发现了 Acasta 片麻岩，这是目前地球上最古老的岩石记录，并被认定为冥古宙的顶界面与太古宙时期划分开来。
（二）底界与顶界的确定

冥古宙底界 45.68 亿年这一数据来源于学者们对太阳系最早形成年龄的限定。顶界 40.30 亿年来源于地球上迄今已知最古老地壳型岩石记录 —— 来自加拿大地盾 Acasta 片麻岩的形成年龄。冥古宙是一个非正式地层单位，由于没有保存相应的地层记录，与太古宙之间的界限仅为一个计时性的年代界限，尚没有得到较好的定义。随着越来越多冥古宙时期的锆石晶体被发现，冥古宙的定义界限也变得越来越模糊，现阶段主流观点认为冥古宙为地球形成到后期轰炸结束的时期。
二、冥古宙的重大事件

（一）月球的形成

在大约 45 亿年前，地球刚形成不久，一颗与火星大小相当的天体 —— 忒伊亚，狠狠地撞上了地球。此次撞击威力巨大，忒伊亚的重金属沉入地球内部，其外壳被撞得粉碎，而地球也被撞得几乎 “散架”，甚至不能维持球体形状。在猛烈的撞击中，大量物质被抛洒到宇宙空间，其中一部分被地球重新吸积，另一部分则在地球引力作用下围绕地球运动，并最终形成了月球。这次撞击对地球产生了深远影响，地球自转轴倾斜了 23.5°，虽然目前这只是一种猜测，但也为地球后续的演化带来了新的变化因素。同时，月球的形成也影响了地球的气候和海洋，月球的轨道拖住了地球，将地球的自转速度从每天 6 小时明显放慢到 24 小时，并且稳定了地球的抖动，还使地球绕地轴倾斜，从而让地球有了季节。
（二）原始地壳的形成

地球在冥古宙时期经历了复杂的地壳形成过程。地球最初形成于大约 45.5 亿年前，由于在形成过程中经历了太多碰撞，大量动能转化为热量，再加上地球本身的凝聚收缩以及内部放射性物质的衰变产生的热量，地球内部温度极高，几乎所有物质都处于熔融状态。在这种情况下，地球的物质出现重力分异，较重的物质下沉形成地核和地幔，较轻的物质上浮形成地壳。随着地球逐渐冷却，地壳也慢慢变得坚固。科学家在加拿大西北领地阿卡斯塔河中一个面积不足 0.5 km? 的小岛上发现了 Acasta 片麻岩，这是目前地球上最古老的岩石记录，其形成时间被认定为冥古宙晚期，标志着原始地壳的逐渐成型。
（三）原始海洋的形成

在地球形成之前，水就以氢离子、羟基等形式广泛存在于星云物质当中。随着地球的形成和冷却，水汽化后与其他气体形成了一个圈层。后来，地球地壳逐渐冷却，水蒸气和尘埃凝结成水滴，并落到了地面，形成了一场持续上百万甚至上千万年的大雨。在大约距今 42 亿年前，这些水汇聚成了原始的海洋。此后，含有大量水分的彗星和小行星陆续撞向地球，为地球补充了大量的水，进一步丰富了原始海洋。
（四）后期重轰炸期

在冥古宙后期，月球和地球都遭受了大量天体的撞击。科学家发现，月球表面的绝大多数陨石坑都是形成于 41 亿年前至 38 亿年前，这一时期被称为 “后期重轰炸期”。据推测，这可能是因为木星、土星等巨行星的异动，造成了大量位于小行星带和柯伊伯带的小天体偏离了原来的轨道。那时的地球比月球大得多，遭受的撞击也更加猛烈。科学家根据月球表面陨石坑的数据，估算出地球表面在这个时期里至少形成了 2.2 万个直径大于 20 公里的陨石坑、40 个直径超过 1000 公里的撞击盆地以及 2 个直径约为 5000 公里的巨型撞击盆地。如此大规模的撞击对地球环境产生了巨大影响，使得地球的地壳大量熔化，更多的气体被释放出来，大气层变得更厚，同时大气层中还充斥着大量尘埃。
三、冥古宙的地球环境

（一）地表地质

在冥古宙时期，地球表面被岩浆海所覆盖。那时的地球如同一个巨大的火球，火山爆发频繁，岩浆四处奔腾。随着地球中心固态的金属内核和液态的金属外核的形成，地球内部上下温度变得不再均衡，从而引发了地壳板块构造运动。这一运动是大陆框架形成的必要条件之一。在 4500Ma 左右，发生了形成月球的巨型撞击事件后，地球从一个熔融硅酸盐物质的球体变为圈层分异的球体，经历了一个具有地核、地幔、地壳以及大气圈与海洋的复杂分异作用和演变过程。
（二）水的起源

关于地球上水的起源，存在两种主流观点。一种观点认为，太阳系里存在着大量构成水的氢和氧元素。早期形成太阳系的原始星云中存在着大量氢氧元素，在不断碰撞后与原始地球的氧化铁发生化学反应产生了水。另一种观点认为，地球的海洋是由融化的彗星组成的，地球在初始阶段捕获了富含冰的彗星天体，融化的冰水成为了地球水资源的来源。在冥古宙时期，科学家对 Jack Hill 绿岩带的碎屑锆石进行研究，发现锆石内有存在水岩反应的痕迹，并以此推测地球在 4.4Ga 前可能已存在海洋。最初的地球上的水是以水蒸气的形式存在的，随着地核系统的稳定，地表温度开始下降，大气中的水蒸气凝结成雨滴降落到地表，在尚未到达地表之前被地表的岩浆所蒸发，水蒸气的循环也带走了地表的部分热量从而形成循环。等到冥古宙时段的末期，地球已经形成了一个以海洋为主零星有陆地出现的蔚蓝色的星球。
（三）原始大气圈

冥古宙时期的原始大气圈主要由甲烷、水汽、氨共同组成。太阳光几乎穿不透地球橘红色的天空，白天的高温和夜晚的严寒交替，类似于今天的月球。这样的原始大气圈对地球环境产生了重要影响。大量的二氧化碳、甲烷等温室气体使得地球表面温度极高，海洋的温度高于 150 摄氏度。同时，原始大气圈中的一些气体和地壳表面的一些可溶性物质在宇宙射线、太阳紫外线、闪电、高温等的作用下，合成了一系列的小分子有机化合物，如氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等，汇集在原始海洋中，为生命的诞生创造了条件。此外，氧气在这个时期是不存在的，因为所有的氧气在释放出来的瞬间都会与地球表面中易被氧化的矿物发生反应。
四、冥古宙对地球的影响

（一）生命的孕育

在冥古宙时期，强烈的降雨和海洋的形成对生命的孕育起到了至关重要的作用。强烈的降雨为地球带来了大量的磷元素，这些磷元素在水中被释放出来，逐渐与地球上早期分子发生反应。同时，降雨还将一些孕育生命的元素带入了海洋，为生命的诞生创造了条件。

随着地壳的慢慢变热，经过了几亿年的漫长时间，地球上那些最初的微生物、细菌、甲烷菌都慢慢的出现了。在澳大利亚发现的 35 亿前的微生物，被科学家一致认为是地球上最早的生命形式。这些生命形式能够忍耐极端高温，在恶劣的环境中顽强生存。
（二）宜居地球的形成

研究表明，冥古宙时期含水的不均一地幔对宜居地球的形成产生了重要影响。在岩浆海的熔体层，岩浆海的分异过程由布里奇曼石的分离结晶主导，富 Mg 的物质组成了早期的下地幔，而残余的富 Fe 的较重的物质构成了早期的上地幔。这种重力不稳定的结构很容易受到小尺度瑞利泰勒不稳定的影响，在岩浆海固结的末期，富 Fe 物质会呈液滴状存在于高 Mg 的辉石岩基质中。

这种小尺度不均一的地幔很难发育巨厚的亏损岩石圈地幔，因而可以实现较快的板块运动和较高的碳封存效率。对于不均一的地幔，板块运动的速率大致为 50cm/yr，可以实现碳酸盐矿物的快速循环。计算表明，即使假设俯冲的碳酸盐中仅有一半循环进入地幔，在 160 百万年内，仍会有 200bar 的 CO2 从大气移除，循环进入地幔中。

此外，化学上不均一的地幔也具有较高的富 Fe 橄榄石含量，有利于蛇纹岩化作用的进行。蛇纹岩化作用可以释放氢气和甲烷。氢气和甲烷都与生命的演化息息相关。光合作用出现以前，甲烷的厌氧氧化作用可能促进了早期生命的发育。

在现今大西洋洋中脊的 Lost City 热液活动区，人们已经观察到一些微生物利用氢气和甲烷创造出多样的生物群落。这一区域的岩性似乎与冥古宙地幔的岩性类似。

综上所述，冥古宙时期的一系列地质过程，包括强烈降雨、海洋形成、不均一地幔的形成等，为地球生命的孕育和宜居地球的形成奠定了基础。
五、冥古宙的特点总结

（一）地质特征

冥古宙时期，地球的地质特征极为独特。火山活动频繁，整个地球仿佛一个巨大的岩浆球，岩浆四处奔腾，火山爆发不断。地表被炽热的岩浆所覆盖，没有任何岩石，温度之高可见一斑。在这个时期，地球还经历了无数次的陨石撞击，形成了众多的盆地。例如，在冥古宙的第二个阶段盆地群时期，地球表面因大量盆地而得名，目前已知地球上最古老的岩石就形成于这个阶段，如在加拿大西北部和格陵兰岛西部发现的古老岩石。此外，在冥古宙的第三个阶段酒神群时期，发生了席卷太阳系内圈的天文轰炸，大量的天体撞击地球，形成了 22000 个或者更多的直径大于 20 公里的撞击坑，还形成了约 40 个直径约 1000 公里的撞击盆地以及几个直径约 5000 公里的撞击盆地。
（二）生物特征

冥古宙时期没有生命存在。那时的地球环境恶劣，犹如人间地狱一般。白天高温和夜晚的严寒交替，类似今天的月球。原始大气圈主要由甲烷、水汽、氨共同组成，海洋的温度高于 150 摄氏度，没有臭氧层的保护，紫外线辐射密集击中地球表面。在这样的环境下，有机分子都无法稳定存在，即使是非常低等的光合生物也没法在冥古宙土地上生存繁衍。然而，冥古宙时期的各种地质活动和环境变化却为后来生命的诞生创造了条件。强烈的降雨为地球带来了磷元素和孕育生命的元素，原始大气圈中的气体和地壳表面的可溶性物质在各种自然条件作用下合成了小分子有机化合物，汇集在原始海洋中。
（三）神秘时代的未知

冥古宙的第一个阶段神秘时代，人类对其几乎一无所知。这个时代的地质证据，如果曾经存在的话，也已经在整个冥古代持续不断的天体轰炸中被摧毁了。神秘时代大约存在于距今 456717 万年前，由于同位素测试的精度问题，这个值有正负 70 万年的误差。地球是在这个阶段成型的，内部开始塌陷，熔液表面则开始凝固，这一形成过程约长 5000 万到一亿年。目前已知的地球上最古老的物质产生于这个年代，但关于这个时代的具体情况，人类仍难以窥探其全貌。